Nanosensoren: Ein kleiner Schritt in die große Zukunft

Wenn Sie den Durchschnittsbürger bitten, Ihnen zu sagen, was "Nanotechnologie" oder "Nanosensoren" sind, werden Sie wahrscheinlich verwirrt mit den Schultern zucken und Ihnen einen milden Todesblick geben, wenn Sie ihr Ego treffen. Wenn Sie die gleiche Frage an einen Marvel-Fan stellen, erhalten Sie möglicherweise eine interessante Antwort in Bezug auf Ant-Man 'schrumpfende Kräfte oder den Nanosuit von Iron Man aus dem neuesten Avengers-Film. Wenn Sie die Frage jedoch an einen erfahrenen Fachmann im Bereich der Nanotechnologie stellen, werden Sie darauf hingewiesen, dass Nanotechnologie und Nanotech-Geräte wie Nanosensoren die Zukunft der miniaturisierten Technologie sind.

Was zum Teufel ist Nanotech?

Bevor wir in den komplexen Raum der Nanosensoren eintauchen, sollten wir zunächst die Nanotechnologie als Ganzes erfassen. Wenn wir das eigentliche Wort abbrechen, bleiben „Nano“ und „Technologie“ übrig. "Nano" ist ein Einheits-Präfix, das ein Milliardstel bedeutet und oft mit dem metrischen System gemessen wird. Im Allgemeinen also, wenn das Präfix „nano“ vor einem Wort erscheint, denken Sie einfach klein… wirklich, wirklich, wirklich, klein. Der andere Teil des Wortes ist „Technologie“, die den meisten vertraut sein sollte. Wenn nicht, ist Technologie in diesem Zusammenhang nur die Anwendung wissenschaftlichen Wissens, um das menschliche Leben zu erleichtern.

Eine Größenvergleichstabelle bietet einen Hinweis darauf, wie klein ein Nanometer ist (Glukose ist ein Nanometer im Vergleich zu einem Baseball, der einhundert Millionen Nanometer beträgt).

Insgesamt handelt es sich bei Nanotechnologie um eine Technologie, die auf einer Skala von weniger als 100 Nanometern ausgeführt wird, also im Wesentlichen nur eine sehr kleine Super-Technologie. Nanosensoren werden als ein bestimmtes nanotechnologisches Gerät bezeichnet, das in der Welt der Wissenschaft Wellen schlägt.

* Nanosensor hat den Chat betreten… *

Bevor wir uns jedoch mit Nano beschäftigen, werfen wir einen Blick auf konventionelle Sensoren in unserem Alltag.

Sensoren sind ein wichtiger Teil der Gesellschaft, auch wenn es nicht so aussieht. Sie helfen den Menschen, durch den Tag zu kommen, und lassen die Gesellschaft reibungslos laufen.

Einige Beispiele für Sensoren in einem durchschnittlichen Haushalt. Sensoren sind überall!

Lassen Sie uns zum Beispiel ein neues Hemd kaufen.

Zuerst steigen Sie in Ihr Auto und verlassen Ihre Einfahrt, um zum Einkaufszentrum zu gelangen. Der Näherungssensor Ihres Fahrzeugs erkennt sofort alles, was in sein elektromagnetisches Feld eindringt, und warnt Sie, damit Sie nicht versehentlich darauf treffen. Sobald Sie tatsächlich auf die Straße kommen und losfahren, werden Sie schließlich an einer roten Ampel hängen bleiben. Ampelsensoren erfassen Ihr Fahrzeug entweder durch Induktionsschleife, Mikrowellenerkennung oder Videoerkennung und ändern das Licht, um den Verkehrsfluss zu verbessern. Nach der Autofahrt erreichen Sie endlich das Einkaufszentrum und gehen hinein. Sobald Sie sich in der Nähe der Tür befinden, öffnen eingebaute Sensoren die Tür automatisch für Sie. Schließlich haben Sie das Hemd gekauft und möchten es unbedingt anziehen, bevor Ihre Mutter Sie dazu bringt, es in die Waschmaschine zu werfen, um sicherzustellen, dass es sauber ist. Während die Waschmaschine ihre Sache tut, messen Sensoren in ihr das Wasser, um sicherzustellen, dass es nicht überläuft. Endlich ist dein Hemd fertig zum Tragen!

Während der gesamten Reise können Sie sehen, wie viele Sensoren beteiligt waren, um Ihnen das Leben zu erleichtern, und dies zerkratzt nur die Oberfläche.

Das Hauptziel von Sensoren, das in der Geschichte erzählt wird, ist das Messen und Erkennen. In diesem Zusammenhang erfüllen Nanosensoren praktisch die gleichen Aufgaben wie normale Sensoren, einfach im Nanomaßstab. Sie erkennen entweder sehr kleine Partikel oder kleinste Mengen an Chemikalien.

Ein chemischer Nanosensor, der auf einem Stück Kunststoff eingebettet wurde

Es gibt zwei Arten von Nanosensoren: chemische Sensoren oder mechanische Sensoren, die beide arbeiten, indem sie Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit im Nanomaterial feststellen. Der Unterschied zwischen den beiden liegt darin, wie sie das tun. Chemische Nanosensoren ändern ihre elektrische Leitfähigkeit, wenn ein Analyt (das zu analysierende Material) detektiert wird und dann vom Nanomaterial absorbiert wird, wodurch seine Leitfähigkeit verringert wird. Auf der anderen Seite ändert sich die elektrische Leitfähigkeit mechanischer Nanosensoren, wenn das Nanomaterial physikalisch verändert wird, was zu einer erkennbaren Reaktion führt. Der Unterschied zwischen den beiden Typen hängt im Wesentlichen von den Erfassungsmechanismen ab.

Kleine Größe, große Wirkung

Nanosensoren haben viele einzigartige Spielveränderungseigenschaften. Ihre Erkennungsfähigkeit ist viel besser als bei herkömmlichen Sensoren und sie bieten Leistungsvorteile wie schnellere Reaktionen und Portabilität. Darüber hinaus bilden Nanosensoren die Basis für „intelligente Sensoren“, die Daten verarbeiten, speichern und analysieren können. Fortschritte in diesem Bereich können viele neue Möglichkeiten für den Einsatz von Nanosensoren in verschiedenen Bereichen eröffnen.

Derzeit umfasst der Einsatz intelligenter Nanosensoren: Gesundheitswesen, Verteidigung und Militär sowie andere Bereiche wie Lebensmittel, Umwelt und Landwirtschaft.

Gesundheitswesen ist eine Branche, die durch die Einführung neuer Nanosensoren durch ihre Fähigkeit, Veränderungen im Körper wahrzunehmen, stark beeinträchtigt wird. Diese Funktion der Nanomaterialien in den Sensoren wurde verwendet, um Krebs zu identifizieren und zu diagnostizieren. Dies kann die Überlebensdauer von Patienten langfristig verbessern, indem tumorspezifische Biomarker und zirkulierende Tumorzellen früher erkannt werden. Biomarker sind messbare Substanzen, deren Vorhandensein auf ein Phänomen wie Krankheit hindeutet. Nanosensoren, die in Organimplantate eingesetzt werden, können auch zur Erkennung einer Kontamination innerhalb des Implantats verwendet werden, indem erkannt wird, ob die Zellen gesund, entzündlich oder mit Bakterien kontaminiert sind.

Die militärische Anwendung von Nanosensoren konzentrierte sich hauptsächlich auf die Erkennung von giftigen Gasen, chemischen Stoffen in der Luft, Strahlung usw., um Soldaten sicher zu halten und auf mögliche Sicherheitsrisiken aufmerksam zu machen. Diese Nanosensoren arbeiten nach dem Prinzip, Gasmoleküle anhand ihrer Masse zu identifizieren. Dieselben Konzepte werden auch auf Militär- und Strafverfolgungsgeräte angewendet. Mit Polymeren und anderen Rezeptormolekülen geschichtete Nanopartikel ändern ihre Farbe, wenn sie mit Analyten wie toxischen Gasen in Kontakt kommen, und weisen den Benutzer auf die Gefahr hin. Derzeit setzen Projekte im Militär Nanosensoren in Kleidung ein, um die Vitalwerte und Informationen zur Gesundheit der Benutzer zu überwachen, was für Soldaten im Kampf von Vorteil ist.

In Bezug auf die Landwirtschaft ist die Lebensmittelsicherheit ein äußerst wichtiges Thema, da sie in direktem Zusammenhang mit der menschlichen Gesundheit steht. Lebensmittelverpackungen sind oft der Zeitpunkt, an dem lebensmittelbedingte Krankheiten und Verunreinigungen auftreten. Nanosensoren können durch ihre einzigartigen chemischen Eigenschaften die Probleme der Lebensmittelverpackung verbessern. Sie sind in der Lage, Gase, chemische Verunreinigungen, Krankheitserreger und sogar Veränderungen der Umgebungsbedingungen zu erkennen. Nanosensoren stellen sicher, dass Kunden frische Produkte kaufen und die Häufigkeit von Krankheiten, die durch Lebensmittel übertragen werden, reduzieren.

Warten Sie… aber wie bauen Sie etwas, das Sie nicht einmal sehen können?

Das ist eine großartige Frage. Um das zu beantworten, müssen wir das Konzept der Nanofabrikation einbeziehen, das heißt das Design und die Herstellung von Nanogeräten.

Insgesamt gibt es zwei Methoden zur Nanofabrikation, entweder von oben nach unten oder von unten nach oben.

Zwei verschiedene Methoden zur Nanofabrikation (Top-Down oder Bottom-Up)

Die Top-Down-Methode ist derzeit stärker verbreitet. Es dient im Wesentlichen dazu, aktuelle Technologien zu verkleinern, also von groß nach klein. Die wichtigste und am weitesten verbreitete Technik bei dieser Methode ist die optische Lithographie. Diese Technik verwendet sehr kurze Lichtwellenlängen, um die Löslichkeit bestimmter Moleküle zu verändern, wodurch sich diese lösen und die gewünschte Struktur zurückbleibt. Im Allgemeinen arbeiten die meisten anderen Top-down-Nanolithographietechniken auch durch Abätzen von unerwünschtem Material, um eine gewünschte Struktur zu bilden, oder sie drucken / zeichnen gewünschte Muster im Nanometerbereich auf das Basismaterial. Man kann sich vorstellen, einen Steinblock zu einer schönen Statue zu formen.

Die andere Methode besteht darin, von unten nach oben zu beginnen. Dabei werden die komplexen Nanomaterialien Atom für Atom von Grund auf neu aufgebaut, und zwar im Wesentlichen von klein nach groß. Stellen Sie sich das genauso vor, als würden Sie nacheinander Steine ​​legen, um ein Haus zu bauen. Bottom-up-Herstellungstechniken folgen derselben Idee und platzieren Atome oder Moleküle nacheinander, um die gewünschte Struktur aufzubauen. Wissenschaftler erforschen auch eine coole Idee der Selbstorganisation, bei der sich Atome oder Moleküle in organisierten Strukturen anordnen können. Dies ist jedoch noch in der Zukunft und noch nicht vollständig in Reichweite.

Warum haben wir keine Nanogeräte überall?

Die Wahrheit ist, im Moment ist die Nanofabrikation nicht einfach, egal welchen Weg Sie einschlagen. Die Hauptmethode, mit der wir derzeit Nanogeräte herstellen, sind Top-Down-Verfahren. Das Hauptproblem dabei ist die Unvollkommenheit der Struktur aufgrund der begrenzten Möglichkeiten der vorhandenen Schneidtechnologien. Durch das Bottom-Up-Problem wird dieses Qualitätsproblem behoben, da es bessere Chancen gibt, Nanostrukturen mit weniger Defekten und einer homogeneren chemischen Zusammensetzung zu erzeugen. Das Problem dabei ist jedoch, dass der Prozess von unten nach oben Atom für Atom aufgebaut werden muss, und der Prozess ist extrem zeitaufwändig.

Die Zukunft der Nanofabrikation

Ach ja, die große Frage. Wie machen wir die Nanofabrikation dann besser? Nach all den Informationen, die ich in den letzten Tagen erhalten habe, weisen alle Quellen darauf hin, dass ich an einen Schlüssel zum Erfolg glaube - die Selbstorganisation. Die Fähigkeit von Materialien, sich zu organisierten molekularen Mustern und Strukturen zusammenzusetzen, kann massive Auswirkungen auf die Nanofabrikation haben. Derzeit betreffen die Hauptprobleme bei den derzeitigen Methoden die Produktqualität (von oben nach unten) und die Produktionszeit (von unten nach oben). Wenn wir die Selbstorganisation einsetzen können, werden diese Probleme gelöst.

Die Fähigkeit von Goldnanorod kann sich in Verticle Arrays selbst zusammenstellen

Die Forscher hoffen, die Fähigkeit der Natur zu kopieren, kleine Cluster spezifischer Atome zu erzeugen, die sich dann zu komplexeren Strukturen zusammenfügen können. Produkte dieser Selbstorganisationsmethoden sind tendenziell Strukturen, die relativ fehlerfrei und selbstheilend sind, und sind schneller zu produzieren, da sie sich selbst ordnen können. Im Moment ist das Konzept im Bereich der Nanotechnologie noch relativ neu und es gibt viele Unebenheiten auf der Straße, aber es hat das Potenzial, innerhalb der Nanofabrikation äußerst effektiv zu sein.

Vorausschauen

Obwohl Sie bisher noch nicht von Konzepten wie Nanotechnologie, Nanosensoren und Nanofabrikation gehört haben, werden Sie dies in den kommenden Jahren mit Sicherheit tun. Nanotechnologie und insbesondere Nanosensoren sind vielversprechend und werden in vielen Bereichen der Industrie eine wichtige Rolle spielen und möglicherweise sogar Ihr tägliches Leben beeinflussen. Damit dies geschehen kann, muss der Prozess der Erstellung von Nanogeräten (Nanofabrikation) kontinuierlich verbessert und effizienter gestaltet werden.

Nanotech ist die Zukunft, also denke nicht groß, denke klein.